Aluminium production is expected to increasingly depend on recycled aluminium, driven by lower energy costs and the need to reduce carbon footprints as environmental regulations and policies become stricter. One of the main limitations of recycling aluminium, mainly aluminium-silicon (Al-Si) alloys, is the high iron (Fe) concentration. Fe forms the β-Al5SiFe phase, which has a plate-like morphology with sharp edges that severely degrades both castability and the mechanical properties of the cast Al.

A promising approach for Fe refining is through the addition of Fe-bearing intermetallic particle formers, such as manganese (Mn), chromium (Cr) and strontium (Sr). The main aim of this research is to develop a quantitative understanding of Fe removal in low-Fe Al-Si alloys by investigating the formation and sedimentation behaviour of Fe-bearing intermetallic particles under different Mn, Cr, and Sr combinations. To do so, a series of small-scale experiments was conducted using 8 kg of molten Al-11Si-0.5Fe alloy.

The results demonstrated that, for a low-Fe Al-Si alloy, a relationship between Fe removal efficiency and the Fe-bearing intermetallic particles was established by calculating the Fe removal potential. When comparing the Fe removal potential with the clean aluminium yield, a clear trade-off was noticed. The higher Fe removal efficiency results in lower clean aluminium yield (Mn-Cr addition) and vice versa (Mn-Sr/Mn-only additions).

To further understand the effect of cooling rate on Fe-bearing intermetallic particles, a physics-based growth-sedimentation model was developed and calibrated using experimental results to quantitatively describe the coupled evolution of particle size and settling behaviour at different cooling rates. The model showed that the 1.5Mn0.6Cr addition results in a lower yield due to increased resistive forces arising from viscosity, tortuosity, particle-particle interactions, and drag. While in 1.5Mn and 1.2Mn0.3Sr, a higher yield was obtained due to their compact morphology and more effective sedimentation.

Aluminiumproduktion förväntas i allt högre grad bestå av återvunnet aluminium, drivet av lägre energikostnader och behovet av att minska koldioxidavtrycket, i takt med att miljöregler och policyer blir allt mer krävande. En av de största begränsningarna med återvinning av aluminium, främst aluminium-kisel (Al-Si)-legeringar, är närvaron av järn (Fe) i återvunnet aluminium. Fe bildar β-Al5SiFe-fasen, som har en plattliknande morfologi med skarpa hörn och kanter som kraftigt försämrar både gjutbarheten och de mekaniska egenskaperna hos den aluminiumlegeringar.

En lovande metod för Fe-rening är genom tillsats av legeringselement som bildar intermetalliska partiklar som innehåller Fe, såsom mangan (Mn), krom (Cr) och strontium (Sr). Huvudsyftet med detta arbete är att utveckla kvantitativ förståelse för Fe-rening i Al-Si-legeringar med låg Fe-halt genom att undersöka bildnings- och sedimentationsförloppet hos Fe-innehållande intermetalliska partiklar under olika Mn-, Cr- och Sr-kombinationer och halter. För att göra detta genomfördes en serie småskaliga experiment med 8 kg smält Al-11Si-0.5Fe-legering.

För en Al-Si-legering med låg Fe-halt fastställdes ett samband mellan Fe-reningseffektiviteten och de Fe-bärande intermetalliska partiklarna genom att beräkna Fe-reningspotentialen. Vid jämförelse av Fe-reningspotentialen med utbytet av renat aluminium identifierades ett vägval. Den högre Fe-reningseffektiviteten resulterar i lägre utbyte av rent aluminium (Mn-Cr-tillsats) och vice versa (Mn-Sr/endast Mn-tillsatser) kopplat till partiklarnas karaktär.

För att ytterligare förstå effekten av svalningshastigheten på de Fe-innehållande intermetalliska partiklarna utvecklades och kalibrerades en fysikaliskt baserad tillväxt-sedimentationsmodell med stöd av experimentella resultat för att kvantitativt beskriva den kopplade partikeltillväxten och sedimenteringsbeteendet vid olika kylningshastigheter. Modellen visade att tillsatsen av 1.5Mn0.6Cr resulterar i ett lägre utbyte kopplat till viskositet, flödesmotstånd beroende på partikelformen. Vidare påverkar partikel-partikel-interaktioner och packningsgraden i sedimentet. I kontrast till 1.5Mn0.6Cr så ger en 1.5Mn och 1.2Mn0.3Sr ett högre utbyte på grund av deras mer kompakta partikelmorfologi och därmed även mer effektiva sedimentering och packning i sedimentet.